黃土地區(qū)地鐵車站PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化分析

王 博

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

發(fā)展城市軌道交通是提升我國基礎(chǔ)建設(shè)水平的重要內(nèi)容。特別是地鐵工程，為解決城市交通擁堵、分散地面交通壓力作出了巨大貢獻(xiàn)。作為地鐵工程的關(guān)鍵組成部分，地鐵車站須保證結(jié)構(gòu)安全與功能合理，并滿足客流、換乘和事故疏散要求[1-3]。地鐵車站施工應(yīng)綜合考慮城市規(guī)劃、周圍環(huán)境和工期造價(jià)等各類影響因素，通常包括明挖法、蓋挖法和淺埋暗挖法等工藝[4-5]。PBA(pile-beam-arch，樁-梁-拱)工法有效結(jié)合了淺埋暗挖法與蓋挖法的施工理念，合理避免了支撐對洞內(nèi)作業(yè)的干擾，克服了工序轉(zhuǎn)換繁瑣等問題，具有安全性高、靈活性強(qiáng)、施工速度快等優(yōu)勢，在地鐵車站工程中得到了廣泛應(yīng)用[6]。

近年來，相關(guān)學(xué)者著眼于周邊環(huán)境響應(yīng)、施工工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)受力變形分析等熱點(diǎn)問題，針對地鐵車站PBA工法施工開展了大量研究[7-14]。隨著地鐵建設(shè)的地域分布不斷擴(kuò)大，采用PBA工法面臨的工程條件愈加復(fù)雜且不同工程之間存在明顯區(qū)別[15]，導(dǎo)致PBA工法對應(yīng)的車站結(jié)構(gòu)形式逐漸演變，以適應(yīng)不同施工環(huán)境。自北京地鐵復(fù)八線開始，PBA工法在單跨、多跨車站結(jié)構(gòu)中均積累了可觀的成功案例，在導(dǎo)洞數(shù)量上也發(fā)展出了2導(dǎo)洞、4導(dǎo)洞、6導(dǎo)洞和8導(dǎo)洞等豐富形式[16-19]。結(jié)合施工順序的靈活變化，PBA工法已經(jīng)能夠較好地滿足截面尺寸各異的地鐵車站施工需求。此外，PBA工法機(jī)械化程度與施工效率的提升及其在不同地層條件下實(shí)踐結(jié)果的對比分析也取得了一定成果[20-21]，為進(jìn)一步提高PBA工法的普適性、促進(jìn)其應(yīng)用范圍的拓展，提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

然而，現(xiàn)階段采用PBA工法時(shí)在設(shè)計(jì)過程中仍以北京地區(qū)地鐵車站工程為主要參考，考慮到該地區(qū)地層特征的代表性不足，由此獲取的理論與經(jīng)驗(yàn)對于其他特殊地層而言必然存在限制。此外，現(xiàn)有PBA工法在工藝優(yōu)化方面多表現(xiàn)為導(dǎo)洞數(shù)量和施工工序變更，缺少導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新，一定程度上降低了PBA工法的適用性?？梢姡槍S土地區(qū)PBA工法在地鐵車站中的應(yīng)用，提出科學(xué)、合理的優(yōu)化方式并開展深入研究是十分必要的。

基于西安地鐵8號(hào)線新植物園站工程，對PBA工法在黃土地區(qū)的應(yīng)用與優(yōu)化進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析改變導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式對車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地表沉降等關(guān)鍵施工控制參數(shù)的影響，并針對PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化方案的最優(yōu)施工順序及有效加固措施開展探討，為PBA工法在類似工程中的應(yīng)用提供參考。

2 工程概況

西安地鐵8號(hào)線新植物園站位于南三環(huán)與公園南路交叉路口，沿南三環(huán)東西向敷設(shè)。南三環(huán)和公園南路均為西安市交通主干線，交通繁忙，車流較大。十字路口西北象限為麗茲公館住宅小區(qū)，東北和西南象限目前為荒地，東南象限為西安市植物園新區(qū)。新植物園地鐵站為地下二層島式車站，共設(shè)2個(gè)出入口與2組風(fēng)亭，采用PBA工法施工。島式站臺(tái)寬13 m，長140 m。車站中心里程處軌面埋深32.5 m，覆土厚度15.5～22.4 m。車站全長 248.75 m，其總平面如圖1所示。車站所處地層主要為黃土地層，各土層物理參數(shù)如表1所示。

圖1 新植物園站總平面

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 PBA工法導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

新植物園地鐵站為雙柱三跨結(jié)構(gòu)，結(jié)合既有工程案例、工程地質(zhì)及水文情況，原設(shè)計(jì)采用8導(dǎo)洞PBA逆筑法施工，實(shí)際作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格貫徹襯砌緊跟，確保在支護(hù)下暴露時(shí)間短，由此提升施工安全性。車站原設(shè)計(jì)施工斷面如圖2所示。

圖2 原設(shè)計(jì)PBA工法施工斷面(單位：m)

結(jié)合北京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，采用該方案條件下，當(dāng)車站施工至地下一層結(jié)構(gòu)完成、開挖至基底且底板尚未全部連通時(shí)，導(dǎo)洞條基下地基反力最大。經(jīng)初步分析，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到的地基承載力修正值無法滿足要求。此外，若選擇增加樁基礎(chǔ)以補(bǔ)足地基承載力不滿足的部分荷載，該樁基礎(chǔ)需達(dá)50 m長度。經(jīng)綜合論證，將導(dǎo)洞優(yōu)化為能夠一次性形成較大面積底板的結(jié)構(gòu)形式，即由傳統(tǒng)的“上4小導(dǎo)洞+下4小導(dǎo)洞”改為“上4小導(dǎo)洞+下2大導(dǎo)洞”的施工方法。該方案地基承載力計(jì)算值滿足最不利工況要求，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后設(shè)計(jì)工法斷面如圖3所示。

圖3 導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后PBA工法施工斷面(單位：m)

4 PBA工法導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化數(shù)值分析

PBA工法包含多項(xiàng)施工步驟，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式變化不僅影響地基承載力的荷載要求，還可能造成車站結(jié)構(gòu)整體或局部受力、地表沉降等關(guān)鍵控制參數(shù)超限。此外，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后，PBA工法各項(xiàng)施工步驟的合理順序與現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)是否存在差異仍需進(jìn)一步研究。因此，擬借助數(shù)值方法對優(yōu)化后PBA工法施工全過程進(jìn)行探討，并與原設(shè)計(jì)方案開展對比分析，以確保上述優(yōu)化方式對新植物園地鐵車站工程的適用性。

4.1 計(jì)算模型

利用ABAQUS建立囊括地層與車站結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型，以研究原設(shè)計(jì)和優(yōu)化后PBA工法施工全過程的各項(xiàng)指標(biāo)。模型包含的導(dǎo)洞初期支護(hù)、車站、維護(hù)樁體和回填部分等結(jié)構(gòu)均按設(shè)計(jì)尺寸考慮。參考既有研究成果，將注漿加固區(qū)域視為連續(xù)、均勻?qū)嶓w。為避免邊界效應(yīng)，橫向自維護(hù)樁體向外延展2.5倍車站結(jié)構(gòu)寬度值，縱向自車站底板向下延展3倍車站結(jié)構(gòu)高度值，模型總尺寸為160 m×100 m×40 m，地層-車站整體模型與車站細(xì)部模型如圖4、圖5所示。

圖4 地層-車站數(shù)值模型(單位：m)

圖5 車站結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中各地層視為理想彈塑性材料，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，其參數(shù)按表1取值。車站主體、中柱、邊樁、注漿材料與回填混凝土均為線彈性材料。其中，初期支護(hù)為C25混凝土，邊樁為C30混凝土，車站主體為C35混凝土，中柱為Q235鋼管柱，內(nèi)澆C50混凝土，洞內(nèi)回填采用C20混凝土，上述具體參數(shù)如表2所示。

表2 車站結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4.3 施工方案

開挖與支護(hù)的施作順序是確定PBA工法施工方案的重要問題，特別是導(dǎo)洞和扣拱的施工順序，對地表沉降、拱頂沉降和管線沉降等監(jiān)測和控制指標(biāo)均存在較大影響。通常情況下，扣拱僅涉及“邊、中”的先后順序選擇。相對的，對于本文PBA工法原設(shè)計(jì)與優(yōu)化后方案，導(dǎo)洞施工在“上、下”與“邊、中”兩項(xiàng)環(huán)節(jié)都存在差別。結(jié)合工程設(shè)計(jì)資料與上述關(guān)鍵工序存在的差異，共設(shè)定16種不同工況進(jìn)行分析，如表3所示。其余工序施工順序保持一致。

表3 施工方案工況匯總

5 計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 地表沉降分析

5.1.1 導(dǎo)洞形式優(yōu)化對地表沉降的影響分析

原設(shè)計(jì)方案與導(dǎo)洞形式優(yōu)化后方案對應(yīng)不同工況的計(jì)算結(jié)果分別如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，施工順序發(fā)生變化時(shí)，原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后方案對應(yīng)的地表沉降累計(jì)值均表現(xiàn)出明顯變化?？傮w來看，采用相同施工順序時(shí)，上4小導(dǎo)洞、下2大導(dǎo)洞方案引起的地層沉降累計(jì)值相較于上4小導(dǎo)洞、下4小導(dǎo)洞更大。導(dǎo)洞施工選擇“先上后下、先邊后中”、扣拱順序?yàn)椤跋冗吅笾小睍r(shí)，原設(shè)計(jì)方案與導(dǎo)洞形式優(yōu)化后方案對應(yīng)的地表沉降累積值最小，分別為53.26 mm和67.34 mm。當(dāng)導(dǎo)洞施工選擇“先下后上、先中后邊”、扣拱順序?yàn)椤跋戎泻筮叀睍r(shí)，兩種方案對應(yīng)的地表沉降累積值最大，分別為68.44 mm與82.41 mm。其余各工況地表沉降累計(jì)值各自分布在S-1、S-8與B-1、B-8之間。通過比較相同施工順序條件下的原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后方案地表沉降累計(jì)值可以發(fā)現(xiàn)，改變導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式造成地表沉降值的增長率為20.41%～26.44%。

圖6 原設(shè)計(jì)方案地表沉降結(jié)果

圖7 優(yōu)化后方案地表沉降結(jié)果

分析可知，對于導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后的車站施工，盡管開挖下部導(dǎo)洞時(shí)能夠保證每一工序完成后均可形成封閉結(jié)構(gòu)，但由于下部導(dǎo)洞面積增大，開挖過程中引起土體擾動(dòng)的范圍也隨之?dāng)U大，且對土體的擾動(dòng)次數(shù)同樣有所提升。因此，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化造成地表沉降值增大的主要原因?yàn)橥馏w擾動(dòng)程度的變化。

5.1.2 不同施工階段地表沉降分析

為進(jìn)一步探明導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后施工過程各階段引起的地表沉降值變化特征，以S-8與B-8兩種工況為例，繪制各階段對應(yīng)的地表沉降值如圖8所示(其余工況對比規(guī)律基本相同)。

圖8表明，在PBA工法施工過程中，導(dǎo)洞開挖階段造成的地表沉降值占比最大，其次為扣拱階段引起的地表沉降值。對于原設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)洞、樁梁、扣拱及內(nèi)部土體開挖施工造成的地表沉降值占比依次為59.64%、10.33%、25.72%和3.31%。導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化后，上述比例發(fā)生一定變化，分別為63.65%、9.87%、23.42%和2.46%?？梢钥吹剑瑢?dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化造成的地表沉降值變動(dòng)主要分散于導(dǎo)洞、樁梁和扣拱施工3個(gè)階段，其中導(dǎo)洞施工造成的變化最大，相比原設(shè)計(jì)方案提升了28.52%。上述結(jié)果再次說明，導(dǎo)洞形式優(yōu)化所造成的沉降值增大主要來源于導(dǎo)洞開挖階段對地層擾動(dòng)的擴(kuò)大。

圖8 不同施工階段對應(yīng)的地表沉降值

值得注意的是，盡管扣拱階段沉降值變化比例(9.65%)小于樁梁施工階段(15.13%)，但該階段沉降變化絕對值更大，這與扣拱施工對應(yīng)的沉降值與總沉降值的比例規(guī)律是一致的。此外，內(nèi)部土體開挖和側(cè)墻二次襯砌施工階段的沉降值有所降低，其下降比例為10.62%。這是由于扣拱施工結(jié)束后樁-梁-拱體系已經(jīng)成型，極大地限制了該階段施工對土體的擾動(dòng)，且導(dǎo)洞形式優(yōu)化后車站底板在施工過程中形成整體的進(jìn)程更快，能夠更好地傳遞內(nèi)部土體、二次襯砌施工時(shí)引起的下部土體回彈，一定程度上減小了地表沉降值。然而，內(nèi)部土體開挖和二次襯砌施工造成的沉降仍是占比較小的作業(yè)階段，由于導(dǎo)洞形式優(yōu)化在該階段造成的沉降減小值基本可以忽略。

5.2 導(dǎo)洞形式優(yōu)化對車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

圖9與圖10所示為工況S-3與B-3對應(yīng)的車站結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖，其余工況車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征與之基本相同?？梢钥吹剑O(shè)計(jì)方案車站結(jié)構(gòu)中柱所受壓力較大，最大壓應(yīng)力位于中柱底端位置，約為4.76 MPa。其余部位中，中板壓應(yīng)力最大，可達(dá)到3.25 MPa，且沿橫向分布較為均勻。由圖9(b)可知，車站結(jié)構(gòu)兩邊拱內(nèi)側(cè)與底板上部中間位置受拉，最大拉應(yīng)力約為2.20 MPa，其他部位所受拉應(yīng)力較小。此外，板與梁的接觸部位、側(cè)墻底部等部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9 原設(shè)計(jì)車站結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖10 導(dǎo)洞形式優(yōu)化后車站結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

通過圖10可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后車站結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值、分布情況與原設(shè)計(jì)方案相比存在差別。上層中柱外側(cè)與下層中柱內(nèi)側(cè)部分的壓應(yīng)力較大，約為5.26 MPa。中板的壓應(yīng)力值相對減小，均未超過2.14 MPa。中間底板上側(cè)受拉較明顯，最大值約為2.41 MPa。相對的，兩側(cè)底板上部與拱內(nèi)側(cè)受拉大幅減小。車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位以側(cè)墻和底板的交接部為主，中板和側(cè)墻結(jié)合部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象與原設(shè)計(jì)方案相比有所減緩。

總體來看，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后的車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力極值表現(xiàn)出增大趨勢，但提高值有限，可以認(rèn)為車站內(nèi)力的增長對結(jié)構(gòu)安全影響不大。但是，拉壓應(yīng)力在底板上側(cè)、拱內(nèi)側(cè)等部位的分布情況出現(xiàn)變化，且應(yīng)力集中的位置同樣有所改變，應(yīng)注意導(dǎo)洞形式優(yōu)化后車站結(jié)構(gòu)可能需要加固的部位與原設(shè)計(jì)方案是不同的。

6 PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化施工加固措施

PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化方案一方面有效解決了地基承載力的不足，同時(shí)也改變了車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特征與施工造成的地表沉降?？紤]到內(nèi)力變化范圍均滿足結(jié)構(gòu)的正常受力要求，主要應(yīng)采取措施改善由于導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式變化引起的地表沉降值增大問題。PBA工法施工對地表沉降影響的減小可通過在相應(yīng)區(qū)域增強(qiáng)加固措施實(shí)現(xiàn)。綜合上4小導(dǎo)洞、下2大導(dǎo)洞的結(jié)構(gòu)特征，擬選擇增加鎖腳錨桿和下部大導(dǎo)洞改用管棚支護(hù)兩種方式作為進(jìn)一步加固措施，如圖11所示。

圖11 PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化施工加固措施

由分析結(jié)果可知，PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化后施工采用導(dǎo)洞順序“先上后下、先邊后中”、扣拱順序?yàn)椤跋冗吅笾小睍r(shí)造成的地層沉降最少(對應(yīng)工況B-1)。因此，以B-1施工順序?yàn)榛A(chǔ)，補(bǔ)充上述加固措施進(jìn)行對比分析。小導(dǎo)管、大管棚及鎖腳錨桿均采用共節(jié)點(diǎn)桿單元模擬，以充分體現(xiàn)鋼管和水泥漿的組合效應(yīng)。各工況地表沉降累積值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同加固措施地表沉降計(jì)算值 mm

由表4可知，單獨(dú)采用鎖腳錨桿的加固效果并不理想，沉降值僅減小3.24 mm。下導(dǎo)洞采用大管棚注漿支護(hù)是最有效的單獨(dú)加固措施，可將地表沉降最大值降低10.61 mm。鎖腳錨桿結(jié)合大管棚注漿使用可提高其加固效果。最理想的加固方案為“上導(dǎo)洞小導(dǎo)管注漿+下導(dǎo)洞管棚注漿(間隙小導(dǎo)管注漿)+鎖腳錨桿”。從計(jì)算結(jié)果來看，通過引入合理的加固措施，可有效控制和解決PBA工法由于導(dǎo)洞形式優(yōu)化造成的地表沉降值增大問題。因此，黃土地區(qū)地鐵車站PBA工法施工面臨地基承載力不足時(shí)，可采用本文提出的導(dǎo)洞形式優(yōu)化方式處理。

7 結(jié)論

針對黃土地區(qū)地鐵車站PBA工法導(dǎo)洞形式優(yōu)化造成的車站內(nèi)力、地表沉降變化及合理施工順序與加固措施等開展了分析，主要結(jié)論如下。

(1)相同條件下，PBA工法采用上4小導(dǎo)洞、下2大導(dǎo)洞施工引起的地表沉降值與車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值均大于傳統(tǒng)的上4小導(dǎo)洞、下4小導(dǎo)洞施工。這與導(dǎo)洞開挖造成的土體擾動(dòng)范圍具有直接關(guān)系。

(2)采用上4小導(dǎo)洞、下4小導(dǎo)洞與上4小導(dǎo)洞、下2大導(dǎo)洞兩種導(dǎo)洞形式的PBA工法施工時(shí)，應(yīng)按導(dǎo)洞“先上后下、先邊后中”、扣拱“先邊后中”的順序進(jìn)行開挖，以降低地表沉降值與車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

(3)下部導(dǎo)洞大管棚注漿為最有效單獨(dú)加固措施。綜合運(yùn)用鎖腳錨桿與其他加固方式可有效提升其加固效果?！吧蠈?dǎo)洞小導(dǎo)管注漿+下導(dǎo)洞管棚注漿(間隙小導(dǎo)管注漿)+鎖腳錨桿”為最理想加固方案，可有效降低地表沉降值。

(4)對于PBA工法在黃土地區(qū)地鐵車站應(yīng)用中面臨的地基承載力不足的問題，可采用本文提出的下部導(dǎo)洞形式優(yōu)化作為處理思路。但應(yīng)注意車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和地表沉降變化，并利用合理、有效的加固措施改善由于導(dǎo)洞形式優(yōu)化帶來的負(fù)面影響。